热工测试技术第3章 压力测试技术

1、第第3章章 压力测试技术压力测试技术掌握流体稳态压力测量的基本原理及方法；掌握流体稳态压力测量的基本原理及方法；掌握稳态压力传感器的原理及结构；掌握稳态压力传感器的原理及结构；测量误差产生的原因及解决方法；测量误差产生的原因及解决方法；动态压力测量传感器的基本原理及结构；动态压力测量传感器的基本原理及结构；压力计及压力测量系统的标定；压力计及压力测量系统的标定；真空测量技术。真空测量技术。1第第1节节 压力的基本概念压力的基本概念压力压力是指垂直作用在单位面积上的力。是指垂直作用在单位面积上的力。 对于运动流体，根据测量所取的面不同，可分为对于运动流体，根据测量所取的面不同，可分为总压力总压力

2、、静静压力、动压力压力、动压力 根据测量要求，按零标准的方法，可分为根据测量要求，按零标准的方法，可分为绝对压力绝对压力、表压力表压力、差压力差压力等。等。 绝对压力绝对压力是以完全真空作为零标准的压力。在用绝对压力表是以完全真空作为零标准的压力。在用绝对压力表示低于大气压时，把该绝对压力称为示低于大气压时，把该绝对压力称为真空度真空度。表压力表压力是以当地大气压作为零标准的压力。通常，所谓压力是以当地大气压作为零标准的压力。通常，所谓压力就是指表压力。就是指表压力。差压差压是用两个压力之差表示的压力，也就是以大气压以外的是用两个压力之差表示的压力，也就是以大气压以外的任意压力作零标准的压力。

3、任意压力作零标准的压力。2第第1节节 压力的基本概念压力的基本概念3第第1节节 压力的基本概念压力的基本概念 过去采用的压力单位过去采用的压力单位“工程大气压力工程大气压力”（kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱”（mmH2O）、）、“标准大气压标准大气压”（atm）、）、“巴巴”（bar）、）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。等均应改成法定计量单位帕。1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa1mmH2O = 0.980710Pa1 mmHg = 1.332102Pa1atm = 1.01325105Pa1bar=105Pa 1PSI=6.8

4、9103Pa4第第1节节 压力的基本概念压力的基本概念5第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量1.基本原理基本原理 流体稳态压力测量的基本原理流体沿水平方向稳定流动流体稳态压力测量的基本原理流体沿水平方向稳定流动时，其静压与动压之和沿流线不变，即时，其静压与动压之和沿流线不变，即引入压力系数引入压力系数由流体力学可知，在任何被由流体力学可知，在任何被 流体绕流的物体上，都存在流体流体绕流的物体上，都存在流体速度为零的一些点，称为速度为零的一些点，称为临界点临界点。临界点的压力系数为临界点的压力系数为1。在被绕流物体表面上也存在流体的在被绕流物体表面上也存在流体的压力等于流体静压力的点，压力等

5、于流体静压力的点，这些点的压力系数等于零。这些点的压力系数等于零。constcpps202112122121sspcpc)2/()(21cppKssp6第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量2.被绕流物体表面上流体的压力分布被绕流物体表面上流体的压力分布0 , 1;30 , 0, (unsteady)140 220 , 0.5pppKKK 0 , 1140 220 , 0ppKK(1)圆柱体圆柱体(2)球体球体7第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量0, 11 , max3 , 0pppxKxd Kxd K(1)半球形半球形注意半球形位置，稳态流注意半球形位置，稳态流体内压力测量探针就是基

6、体内压力测量探针就是基于这个原理设计的于这个原理设计的8第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量 3、流体静压的测量及静压探针、流体静压的测量及静压探针流道壁面上的静压力流道壁面上的静压力测压孔应开在直线型管壁上；测压孔应开在直线型管壁上；测压孔的轴线应与壁面垂直；测压孔的轴线应与壁面垂直；测压孔的直径为测压孔的直径为0.5mm左右，最大不应超过左右，最大不应超过1.5mm；测压孔的边缘应整齐、光洁。测压孔的边缘应整齐、光洁。9流道中一点的静压力流道中一点的静压力可用静压探针测量；可用静压探针测量；探针必须与流线平行。探针必须与流线平行。第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量1011第第2节

7、节 稳态压力的测量稳态压力的测量感受部分感受部分传送部分传送部分显示部分显示部分测压管测压管，在其表面根，在其表面根据测量要求开以若干据测量要求开以若干个小孔以感受气流中个小孔以感受气流中的压力；的压力；连接管连接管所起所起的作用是将感受到的的作用是将感受到的压力信号传送到显示压力信号传送到显示或记录部分；而或记录部分；而二次二次仪表仪表可以是所有测压可以是所有测压仪表中任一种。仪表中任一种。 L形静压探针形静压探针 第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量静压管头部呈半球体，静压管头部呈半球体，气流在此获得加速，静气流在此获得加速，静压降低；又因为支杆对压降低；又因为支杆对气流有滞止作用，流

8、速气流有滞止作用，流速降低，静压升高，所以降低，静压升高，所以在在L型静压管的头部和支型静压管的头部和支杆之间选择适当的位置杆之间选择适当的位置设置静压孔，可以得到设置静压孔，可以得到接近真实静压的测量值。接近真实静压的测量值。12第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量圆柱形静压探针是由一根圆柱形的细管做成的。测压孔圆柱形静压探针是由一根圆柱形的细管做成的。测压孔开在管子背向流体流动方向的一面。当速度系数一定时，开在管子背向流体流动方向的一面。当速度系数一定时，在在 的范围内，由它测出的静压保持不变，的范围内，由它测出的静压保持不变，因此可用于二元流动中测量流体某一点的静压。由于这因此可用于

9、二元流动中测量流体某一点的静压。由于这种探针的轴线是与流线垂直的，因此流场扰动较大，从种探针的轴线是与流线垂直的，因此流场扰动较大，从绕流物体上压力分布曲线可见，其表面上没有稳定的压绕流物体上压力分布曲线可见，其表面上没有稳定的压力系数为零的点，只有压力系数近似等于零的点，所以力系数为零的点，只有压力系数近似等于零的点，所以测出的静压值误差较大。测出的静压值误差较大。4040圆柱形静压探针圆柱形静压探针 13第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量碟形静压探针碟形静压探针 测量时，应和气流的测量时，应和气流的流动方向垂直，使圆流动方向垂直，使圆盘平面平行于气流方盘平面平行于气流方向，其静压孔感

10、受到向，其静压孔感受到的就是气流的静压。的就是气流的静压。 14第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量导管式静压探针导管式静压探针 一般静压管的不敏感偏流角一般静压管的不敏感偏流角都较小，在静压孔外加了导都较小，在静压孔外加了导流管后，这种状况得到了明流管后，这种状况得到了明显的改善。显的改善。15第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量 4、滞止压力的测量及总压探针、滞止压力的测量及总压探针感受部分感受部分传送部分传送部分显示部分显示部分16第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量总压的测量方法及不敏感偏流角总压的测量方法及不敏感偏流角用于总压测量的测压管称为总压管。用于总压测量的测压管称

11、为总压管。 总压管的一端管口轴线对准气流方总压管的一端管口轴线对准气流方向，另一端管口与二次仪表相连，向，另一端管口与二次仪表相连，这样便可测出被测点的气流总压与这样便可测出被测点的气流总压与大气压之差。大气压之差。要求管口无毛刺，壁面光洁；并要求要求管口无毛刺，壁面光洁；并要求管口轴线对准来流方向。管口轴线对准来流方向。 习惯上取使测量误差占速度头习惯上取使测量误差占速度头1%1%的偏流角的偏流角p p作为总压管的不作为总压管的不敏感偏流角，敏感偏流角，p p的范围越大，对测量越有利。的范围越大，对测量越有利。17不同型式总压管对气流偏斜的敏感性不同型式总压管对气流偏斜的敏感性第第2节节 稳

12、态压力的测量稳态压力的测量18第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量常用总压管常用总压管v单点单点L型总压管型总压管制造方便，使用、安装制造方便，使用、安装简单，支杆对测量结果简单，支杆对测量结果影响小，其缺点是不敏影响小，其缺点是不敏感偏流角较小，一般为感偏流角较小，一般为1015，如果将孔，如果将孔口加一个扩张角，则可口加一个扩张角，则可加大至加大至2530。19第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量v套管式总压管套管式总压管导流套进口处的锥面为收敛段，导流套进口处的锥面为收敛段，气流经过导流套后被整流，使气流经过导流套后被整流，使总压管的不敏感偏流角大大提总压管的不敏感偏流角大大提高

13、，可达高，可达4045。它的缺。它的缺点是点是p随随M数的变化较明显；数的变化较明显；头部尺寸较大，对气流流动有头部尺寸较大，对气流流动有较大的影响。较大的影响。20第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量v多点总压管多点总压管多点梳状总压管多点梳状总压管 多点耙状总压管多点耙状总压管多点总压管能同时测出多点的总压，但制造较复杂，对流场干扰多点总压管能同时测出多点的总压，但制造较复杂，对流场干扰大。梳状凸嘴型总压管和耙状总压管的不敏感偏流角大。梳状凸嘴型总压管和耙状总压管的不敏感偏流角p较小；凹较小；凹窝型的窝型的p较大，但测量精度受气流扰动的影响较大；带套型的较大，但测量精度受气流扰动的影响

14、较大；带套型的p最大，但结构较复杂。在实际使用时要根据具体情况选用。最大，但结构较复杂。在实际使用时要根据具体情况选用。21第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量v附面层总压管附面层总压管一般取一般取h=0.030.1mmH=0.10.18mm。22第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量 总压探针的选用原则总压探针的选用原则 1).在在15的三元流体中，可选用结构简单的的三元流体中，可选用结构简单的“L”形探针，形探针，其结构尺寸的最佳其结构尺寸的最佳 值为值为l/d23， =0.7； 2).在在3545的三元流体中，应采用套管式总压探针；的三元流体中，应采用套管式总压探针； 3).在在4

15、6的平面流体中，可选用结构简单，尺寸的平面流体中，可选用结构简单，尺寸小的圆柱形探针，其最小的圆柱形探针，其最 佳尺寸应是佳尺寸应是l/d1.5, =0.7。12dd12dd23第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量5、压力探针的测量误差分析、压力探针的测量误差分析探针对流场的扰动探针对流场的扰动 使用探针测量总压和静压时，探针必然会对原来的流动状态带来扰使用探针测量总压和静压时，探针必然会对原来的流动状态带来扰动，使探针附近的流线发动，使探针附近的流线发 生生 弯曲，从而改变了局部流体的压力。弯曲，从而改变了局部流体的压力。 为为了减小它对气流的扰动，应将探针的尺寸做得足够小。了减小它对气

16、流的扰动，应将探针的尺寸做得足够小。测压孔对测量值的影响测压孔对测量值的影响 测压孔的不规则、孔的轴线与流线不垂直，以及孔径过大等都会导测压孔的不规则、孔的轴线与流线不垂直，以及孔径过大等都会导致静压测量误差。主要原致静压测量误差。主要原 因是流体经过测压孔时，流线要发生弯曲，因是流体经过测压孔时，流线要发生弯曲，流线沉到孔里产生离心力场，并增加了孔的压力流线沉到孔里产生离心力场，并增加了孔的压力 使所测得的压力超过使所测得的压力超过流体的静压力。超过值的大小决定于流体的速度和孔的形状、尺寸及流体的静压力。超过值的大小决定于流体的速度和孔的形状、尺寸及方方 向。通常静压孔的直径为向。通常静压孔

17、的直径为0.51mm，孔径太小了易堵塞，孔径大了，孔径太小了易堵塞，孔径大了又会增加由速度头引又会增加由速度头引 起的误差。起的误差。24第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量Ma数对测量值的影响数对测量值的影响 在气流压力测量中，在气流压力测量中，Ma数的增大会引起气流密度的变数的增大会引起气流密度的变化，当化，当Ma1时，探针上就产生了时，探针上就产生了 局局 部冲波，这个冲波是非部冲波，这个冲波是非等熵的，它改变了局部的气流压力，从而给静压和总压的测等熵的，它改变了局部的气流压力，从而给静压和总压的测量带来误量带来误 差。头部为半球形的差。头部为半球形的“L”形探针，当形探针，当 =0

18、.3，角较小时，在亚音速气流中，角较小时，在亚音速气流中， 测量值与测量值与Ma数无关。数无关。12dd25Re数对测量值的影响数对测量值的影响在临界点的无因次压力系数在临界点的无因次压力系数 与与Re数的关系可用下式表示：数的关系可用下式表示：式中，式中， 是常数，对不同形状的物体具体数据如下：是常数，对不同形状的物体具体数据如下：对于半球形，对于半球形， =2.0, =0.398；对于球形，对于球形， =1.5， =0.455；对于圆柱形，对于圆柱形， =1.0， =0.457。0pKReRe41210CCKp21 ,CC1C2C1C2C2C1C第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量26

19、6、速度梯度对测量值的影响、速度梯度对测量值的影响第第2节节 稳态压力的测量稳态压力的测量27第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表测压测压仪表仪表液柱式压力计液柱式压力计依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将被测压力转换为液柱的高度差进行测量被测压力转换为液柱的高度差进行测量U U型管压力计、单管压力计以及斜管压力计型管压力计、单管压力计以及斜管压力计弹性式压力计弹性式压力计依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性元件变形的多少反映了被测压力的大小。元件变形的多少反映了被测压力的大小。弹簧管压力计、波纹管

20、压力计以及膜盒式压力计弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计电气式压力计电气式压力计利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式尔式活塞式压力计活塞式压力计根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性式压力计。式压力计。28第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表1、液柱式压力计

21、、液柱式压力计u 利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的的原理原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小，通过液柱高度来反映被测压力的大小u 优点：优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度结构简单，使用方便，有相当高的准确度u 缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便；测量范围不大损坏及读数不方便；测量范围不大u 采用水银或水为工作液，用采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测用于低压、负压或压力差的检测u 被广泛用

22、于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量压力、通风空调系统各段压力的测量29第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表30第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表U形管压力计形管压力计测气体测气体P=P1P2 =g(h1+h2)提高工作液密度将增提高工作液密度将增加压力的测量范围，加压力的测量范围，但灵敏度要降低。但灵敏度要降低。31问：问：U形管压力计两肘管的内径分别为形管压力计两肘管的内径分别为d1 = 6mm，d2 = 6.5mm，管内封液为水，被测压力作用于较细肘管，使水柱从零位下管内封液为水，被测压力作

23、用于较细肘管，使水柱从零位下降降195mm。如果以该值的。如果以该值的2倍作为被测压力值，试确定由于没倍作为被测压力值，试确定由于没有读取较粗肘管的水柱从零位的升高值而造成的测量误差。有读取较粗肘管的水柱从零位的升高值而造成的测量误差。 第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表解：解：%100PPP%001Pg 2h 221122d hd h 212122dhhd%99. 7hhhh%212132第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表单管式压力计单管式压力计 由于由于U形管压力形管压力计需两次读取液面高计需两次读取液面高度，为使用方便，设度，为使用方便，设计出一次读取液面高计出一次读

24、取液面高度的单管压力计。度的单管压力计。33第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表 因因 故故 由于由于 Dd，所以，所以 P =gh2 221244hdhD34第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表 主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。斜管式压力计斜管式压力计lAAhlAAh121211alhsin2laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221P1P2斜管h1h2LlaAAgall

25、AAghhgP)sin()sin()(121221laAAgallAAghhgP)sin()sin()(12122135第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表 倾斜角度越小，倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。 这种这种倾斜管液柱式压力计倾斜管液柱式压力计可以测量到可以测量到0.98Pa的微压。的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。精作为工作液体。 36第第3节节 稳态压力指示仪表稳态

26、压力指示仪表37第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表v测量范围测量范围: 0-500,750,1000,1500,2000(Pa)v精度精度: 1.0级级v液体介质液体介质: (20时时)密度为密度为810 kg/m3的酒精的酒精v重量重量: 5kgv外形尺寸外形尺寸: 330*175*200 38第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 环境温度变化的影响环境温度变化的影响环境温度偏离规定温度环境温度偏离规定温度20后，封液密度改变对压力计读数影响后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为的修正公式为 式中：式中：h2

27、0为为20 时封液液柱高度；时封液液柱高度； h为为t 时封液液柱高度；时封液液柱高度； 为封液的体膨胀系数；为封液的体膨胀系数； t为测量时的实际温度。为测量时的实际温度。)20(120thh39重力加速度变化的修正重力加速度变化的修正仪器使用地点的重力加速度仪器使用地点的重力加速度g由下式计算由下式计算 式中：式中：H,为使用地点海拔高度（为使用地点海拔高度（m）和纬度）和纬度()； gN为为9.80665m/s2，标准重力加速度；，标准重力加速度； R为为6356766m，地球的公称半径。，地球的公称半径。 式中：式中：hN为标准地点封液液柱高度；为标准地点封液液柱高度； h为测量地点封

28、液液柱高度。为测量地点封液液柱高度。1 0.00265cos(2 )(1 2/ )NggH RnNgghh/第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表40第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表毛细现象造成的误差毛细现象造成的误差毛细现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且毛细现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且会引起液柱的升高或降低。这种误差与封液的表面张力、管径、会引起液柱的升高或降低。这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，难以精确得到。实际应用时，常常管内壁的洁净度等因素有关，难以精确得到。实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细现象的

29、影响。通过加大管径来减少毛细现象的影响。当封液为酒精时，管子内径当封液为酒精时，管子内径d3mm；水、水银作封液，；水、水银作封液，d8mm。此外液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数此外液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数时，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向时，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。读数。U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则将带来型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则将带来较大误差。较大误差。41第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表2、弹性式压力计、弹性式压力计弹性式压力计是以各种形式的

30、弹性元件受压后产生的弹性变弹性式压力计是以各种形式的弹性元件受压后产生的弹性变形作为测量的基础。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹形作为测量的基础。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管，相应的有管，相应的有弹簧管压力计弹簧管压力计、膜式压力计膜式压力计和和波纹管式压差计波纹管式压差计。 优点：量程范围广（优点：量程范围广（4mmH2O109Pa） 结构简单，结实耐用，价格低结构简单，结实耐用，价格低国产压力表型号国产压力表型号头字母用头字母用Y42第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表弹簧管压力计弹簧管压力计43第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表44第第3节节 稳态压力指示仪表

31、稳态压力指示仪表45第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表46第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表膜式压力计膜式压力计 膜式压力计分为膜式压力计分为膜片压力计膜片压力计和和膜盒压力计膜盒压力计两种。前者主要用两种。前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力；后于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力；后者常用于测量气体的微压或负压。它们的敏感元件分别是膜者常用于测量气体的微压或负压。它们的敏感元件分别是膜片和膜盒片和膜盒 。47v膜片压力计膜片压力计 膜片压力计的膜片可分为膜片压力计的膜片可分为弹性膜片弹性膜片和和挠性膜片挠性膜片两种。膜片两种。膜片呈圆形

32、，一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压呈圆形，一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片，它的四周被固定起来。通入有环状同心波纹的圆形薄片，它的四周被固定起来。通入压力后，膜片将向压力低的一面弯曲，其中心产生一定的压力后，膜片将向压力低的一面弯曲，其中心产生一定的位移（即挠度），通过传动机构带动指针转动，指示出被位移（即挠度），通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。测压力。 （a）弹性膜片）弹性膜片 （b）挠性膜片）挠性膜片 第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表48第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表v膜盒压力计膜盒压力计 为了增大膜片的位移量

33、以提高灵敏度，可以把两片金属为了增大膜片的位移量以提高灵敏度，可以把两片金属膜片的周边焊接在一起，形成膜盒。膜片的周边焊接在一起，形成膜盒。1-调零螺杆；调零螺杆； 2-机座；机座； 3-刻度板；刻度板； 4-膜盒；膜盒； 5-指针；指针； 6-调零板；调零板； 7-限位螺钉；限位螺钉； 8-弧形连杆；弧形连杆； 9-双金属片；双金属片； 10-轴；轴； 11-杠杆架；杠杆架； 12-连杆；连杆； 13-指针轴；指针轴； 14-杠杆；杠杆； 15-游丝；游丝； 16-管接头；管接头； 17-导压管导压管49第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表o 膜盒式微压计常用于火电膜盒式微压计常用于

34、火电厂锅炉风烟系统的风、烟厂锅炉风烟系统的风、烟压力测量及锅炉炉膛负压压力测量及锅炉炉膛负压测量。测量。 o 当几个膜盒敏感元件叠放当几个膜盒敏感元件叠放在一起后量测极微小的压在一起后量测极微小的压力（毫巴级）力（毫巴级） 50第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表51弹性式压力计的误差弹性式压力计的误差1迟滞误差迟滞误差 相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。不一样，产生迟滞误差。2后效误差后效误差 弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。弹性后效误差。3间隙误差间隙误

35、差 仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。4摩擦误差摩擦误差 仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。产生摩擦误差。5温度误差温度误差 环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化，造成温度误差。化，造成温度误差。第第3节节 稳态压力指示仪表稳态压力指示仪表5253第第4节节 动态压力测量动态压力测量1、应变式压力传感器、应变式压力传感器工作原理：工作原理：金属导体或半导体在发生机械

36、变形时，其电阻金属导体或半导体在发生机械变形时，其电阻值均会发生变化，这种现象叫值均会发生变化，这种现象叫“应变效应应变效应”。 称为应变丝的灵敏度系数称为应变丝的灵敏度系数对于一般金属丝对于一般金属丝k=12，对于半导体材料通常在，对于半导体材料通常在60170之间之间被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变片式压力传变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变片式压力传感器。感器。54应变片由应变

37、片由应变敏感元件应变敏感元件、基片和覆盖层基片和覆盖层、引出线引出线三部分组三部分组成。应变敏感元件是应变片的核心部分，一般由金属丝、成。应变敏感元件是应变片的核心部分，一般由金属丝、金属箔或半导体材料组成，由它将机械应变转为电阻的变金属箔或半导体材料组成，由它将机械应变转为电阻的变化，基片和覆盖层起固定和保护应变敏感元件、传递应变化，基片和覆盖层起固定和保护应变敏感元件、传递应变和电气绝缘的作用。和电气绝缘的作用。（a a）丝绕式）丝绕式 （b b）箔式）箔式 （c c）半导体）半导体应变片及其性能：应变片及其性能：第第4节节 动态压力测量动态压力测量55第第4节节 动态压力测量动态压力测量

38、应变片的测量误差及其补偿方法应变片的测量误差及其补偿方法 应变片电阻的变化受温度影响很大。造成温度误差的原因：应变片电阻的变化受温度影响很大。造成温度误差的原因：1）敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化发生变化；）敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化发生变化；2）应变片材料和试件材料的线膨胀系数不一样，使应变片产）应变片材料和试件材料的线膨胀系数不一样，使应变片产生附加变形，从而造成电阻变化。生附加变形，从而造成电阻变化。 应变片的温度补偿方法：应变片的温度补偿方法：1）电桥补偿法）电桥补偿法 2）应变片自补）应变片自补偿法。偿法。56第第4节节 动态压力测量动态压力测量电阻应变片式压力传感器测量系统

39、电阻应变片式压力传感器测量系统电阻应变片式压力传感器通过不平衡电桥把电阻的变化转换为电电阻应变片式压力传感器通过不平衡电桥把电阻的变化转换为电流或电压的信号输出。由于信号很微弱，要经过多级放大才能驱流或电压的信号输出。由于信号很微弱，要经过多级放大才能驱动各种显示或记录仪表，常用的配套仪表是动态应变仪。典型测动各种显示或记录仪表，常用的配套仪表是动态应变仪。典型测量系统量系统由传感器、电桥盒、动态应变仪和光线示波器由传感器、电桥盒、动态应变仪和光线示波器组成。组成。传感器传感器电桥盒电桥盒动态应变仪动态应变仪光线示波器光线示波器q传感器传感器感受压力信号并将其转换为电信号输出；感受压力信号并将

40、其转换为电信号输出； q电桥盒电桥盒用于半桥形式输出的传感器，若传感器为全桥形式，则可用于半桥形式输出的传感器，若传感器为全桥形式，则可省去电桥盒；省去电桥盒； q动态应变仪动态应变仪为一个多级阻容耦合放大电路，带有较大负反馈以改为一个多级阻容耦合放大电路，带有较大负反馈以改善线性，放大后调幅载波信号加于相敏检波器进行检波，经滤波器善线性，放大后调幅载波信号加于相敏检波器进行检波，经滤波器滤掉载波后，即可得到正比于压力信号的电压输出；滤掉载波后，即可得到正比于压力信号的电压输出； q光线示波器光线示波器作为测量系统的记录仪表。作为测量系统的记录仪表。 57光线示波器光线示波器58第第4节节 动

41、态压力测量动态压力测量固态应变式压力传感器固态应变式压力传感器o优点：精度高，灵敏度高，重复性好，迟滞小，尺寸小，重优点：精度高，灵敏度高，重复性好，迟滞小，尺寸小，重量轻，结构简单，可靠性好，便于实现数字显示与运算。量轻，结构简单，可靠性好，便于实现数字显示与运算。o其输出有两种形式：一是输出模拟电压；二是输出频率信号，其输出有两种形式：一是输出模拟电压；二是输出频率信号，利用压力为零和有压力时的频率差来反映压力的变化。利用压力为零和有压力时的频率差来反映压力的变化。o缺点：对温度敏感，需要进行温度补偿。缺点：对温度敏感，需要进行温度补偿。o固态应变式压力传感器的核心部件是单晶硅膜片，它既是

42、压固态应变式压力传感器的核心部件是单晶硅膜片，它既是压敏元件又是变换元件。敏元件又是变换元件。59第第4节节 动态压力测量动态压力测量2、压电式压力传感器、压电式压力传感器压电效应压电效应，一些物质在一定方向上受外力作用而产生变形时，一些物质在一定方向上受外力作用而产生变形时，在它们的表面上会产生电荷；当外力去掉后，它们又重新回到在它们的表面上会产生电荷；当外力去掉后，它们又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。不带电状态，这种现象称为压电效应。产生压电效应的材料可分为两类，一类是天然或人造的单晶产生压电效应的材料可分为两类，一类是天然或人造的单晶体，如石英等。另一类是人造多晶体压电陶瓷，

43、如钛酸钡等。体，如石英等。另一类是人造多晶体压电陶瓷，如钛酸钡等。理想石英晶体是六边体系，在晶理想石英晶体是六边体系，在晶体学中以三个互相垂直的轴来表体学中以三个互相垂直的轴来表示它们的特性，纵向的示它们的特性，纵向的Z轴称为轴称为光学轴，过棱线而垂直于光轴的光学轴，过棱线而垂直于光轴的X轴称为电气轴，垂直于轴称为电气轴，垂直于XZ平面平面的的Y轴称为机械轴或中性轴。轴称为机械轴或中性轴。60第第4节节 动态压力测量动态压力测量如果从石英晶体切出一个平行六面体，如果从石英晶体切出一个平行六面体，使它的结晶面分别平行于电轴、光轴使它的结晶面分别平行于电轴、光轴和机械轴，把沿电轴和机械轴，把沿电轴

44、X方向力方向力Fx的作的作用下产生电荷的现象称为用下产生电荷的现象称为“纵向压电效纵向压电效应应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y方向力方向力Fy的作用的作用下产生电荷的现象称为下产生电荷的现象称为“横向压电效横向压电效应应”，而沿光轴，而沿光轴Z方向的作用力，石英方向的作用力，石英不会产生电荷。不会产生电荷。xxxxFdqyyyyFbadq61第第4节节 动态压力测量动态压力测量压电式压力传感器的结构压电式压力传感器的结构 由感压弹性膜片、支持片、压电晶体及引出由感压弹性膜片、支持片、压电晶体及引出 线、绝缘套管线、绝缘套管等组成。被测压力通过感压膜片，支持片加到压电晶体上，压等组成。被测压力

45、通过感压膜片，支持片加到压电晶体上，压电晶体产生的电电晶体产生的电 荷由压在压电晶体间的金属箔导出。荷由压在压电晶体间的金属箔导出。 1钢垫块；钢垫块； 2压电晶体；压电晶体； 3铜垫块；铜垫块； 4压电晶体；压电晶体； 5钢垫块；钢垫块； 6压盖；压盖； 7绝缘体绝缘体 8引出线；引出线； 9膜片；膜片； 10压力接头；压力接头；62第第4节节 动态压力测量动态压力测量压电式压力传感器的测量电路压电式压力传感器的测量电路633、电感式压力传感器、电感式压力传感器第第4节节 动态压力测量动态压力测量电感式压力传感器以电感式压力传感器以电磁感应电磁感应原理为基础，利用磁性材料和原理为基础，利用磁

46、性材料和空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电流或电压信号。流或电压信号。工作原理工作原理1衔铁 2线圈 3铁芯线圈的电感量线圈的电感量 202SWL W为线圈的匝数；为线圈的匝数；0为空气的磁为空气的磁导率；导率；S为气隙的截面积；为气隙的截面积；为气为气隙的宽度。隙的宽度。弹性元件与衔铁相连，弹性元件感弹性元件与衔铁相连，弹性元件感受压力产生位移，使气隙宽度产生受压力产生位移，使气隙宽度产生变化，从而使电感量发生变化。变化

47、，从而使电感量发生变化。64差动式电感传感器差动式电感传感器：结构：由一个公共衔铁和两个相同的铁心线圈结合在一起构成。结构：由一个公共衔铁和两个相同的铁心线圈结合在一起构成。 输出特性输出特性式中式中 K-灵敏度系数灵敏度系数第第4节节 动态压力测量动态压力测量SKUSSkL2Usr00sc0sr0S/UkL2K 65)(200021SWL)(200022SWL上两式可以看出，它们的电感是一增一减，将这样的变化接入上两式可以看出，它们的电感是一增一减，将这样的变化接入电桥，此为差动式电感传感器电桥电路。电桥，此为差动式电感传感器电桥电路。 两个线圈两个线圈Z1、Z2接成交流电桥的相邻接成交流电

48、桥的相邻两臂，即半桥输入，另外两个桥臂由两臂，即半桥输入，另外两个桥臂由阻抗阻抗Z3、Z4组成。组成。 根据电桥平衡原理，在初始条件时，根据电桥平衡原理，在初始条件时，输出电压为，输出电压为， rCUZZZZZZZZU)(43213241当当Z3=Z4=Z时，有：时，有：111LiRZ222LiRZrCUZZLLiU)()(2121由于在工作中由于在工作中L1与与L2是一增一减，是一增一减，Z1与与Z2之和变化甚微，故可之和变化甚微，故可以认为输出电压正比于以认为输出电压正比于L1-L2，即，即rCULLKU)(2166第第4节节 动态压力测量动态压力测量)(200021SWL)(200022

49、SWLrCULLKU)(21将将代入代入rCUSWSWKU)(2)(200020002rUSWK00002112rULK220002若略去式中的若略去式中的2项，上式成为项，上式成为002rCULKUK67第第4节节 动态压力测量动态压力测量差动式电感传感器：差动式电感传感器：由感压弹性元件、传动机构和差动电感传感器等部分组成。由感压弹性元件、传动机构和差动电感传感器等部分组成。变隙式差动电感压力传感器变隙式差动电感压力传感器 线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P68第第4节节 动态压力测量动态压力测量差动电感的测量：差动电感的测量：通常采用交流电桥电路，传感器的两个线圈分别接入电桥

50、的通常采用交流电桥电路，传感器的两个线圈分别接入电桥的相邻两臂。当没有压力信号时，电桥平衡，输出电压为零；相邻两臂。当没有压力信号时，电桥平衡，输出电压为零；当感受压力时，电桥失去平衡，输出端有电压输出。输出电当感受压力时，电桥失去平衡，输出端有电压输出。输出电压与被测压力成正比。压与被测压力成正比。69第第4节节 动态压力测量动态压力测量4、电容式压力传感器、电容式压力传感器电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。如果一个极板固定不动，另一个极板感介质的介电常数决定。如果一个极板固定不动，另一个极板感受压

51、力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。的变化就反映了被测压力的变化。平板电容器的电容量平板电容器的电容量C为为SC 若电容的动极板感受压力产生位移若电容的动极板感受压力产生位移，则电容量将随之改变，其变化量则电容量将随之改变，其变化量C为为/1/CSSC当当、S确定之后，可以通过测量电容量的变化得到动极板确定之后，可以通过测量电容量的变化得到动极板的位移量，进而求得被测压力的变化。的位移量，进而求得被测压力的变化。 70第第4节节 动态压力测量动态压力测量结构：结构：它以感压弹性元件它以感压弹性元件

52、金属膜片为电容器的活动极金属膜片为电容器的活动极板，板， 与固定在传感器壳体上的另一极板形成一电容器。当与固定在传感器壳体上的另一极板形成一电容器。当感受被测压力时，弹性膜片的变形就使感受被测压力时，弹性膜片的变形就使 得电容器极板之间得电容器极板之间的距离发生变化，从而导致了电容的距离发生变化，从而导致了电容C的变化的变化1支座；支座；2固定螺钉；固定螺钉；3膜片；膜片；4定极片支座；定极片支座；5定极片陶瓷支定极片陶瓷支 架；架；6定极片；定极片；7定极片固定螺母；定极片固定螺母；8陶瓷支架的固定螺钉；陶瓷支架的固定螺钉；9标准垫片；标准垫片；10垫片垫片71主要优点主要优点v输入能量小而

53、灵敏度高。输入能量小而灵敏度高。 极距变化型电容式传感器只需要很小的能量就能改变电容极距变化型电容式传感器只需要很小的能量就能改变电容极板的位置。如一对直径为极板的位置。如一对直径为1.27cm的圆形电容极板上施加的圆形电容极板上施加10V电压，极板间隙为电压，极板间隙为2.54*10-3cm，只需，只需3*10-5N的力就能的力就能使极板产生位移。因此电容传感器可以测量很小的力、振使极板产生位移。因此电容传感器可以测量很小的力、振动加速度，而且很灵敏。动加速度，而且很灵敏。v电参量相对变化大。电参量相对变化大。 电容式压力传感器电容的相对变化电容式压力传感器电容的相对变化dC/C100%，有

54、的甚，有的甚至可达到至可达到200%，说明传感器的信噪比大，稳定性好。，说明传感器的信噪比大，稳定性好。v动态特性好。动态特性好。 电容传感器活动零件少，而且质量很好，本身具有很高电容传感器活动零件少，而且质量很好，本身具有很高的自振频率，所以动态特性好。的自振频率，所以动态特性好。72主要优点主要优点v能量损耗小。能量损耗小。 电容式传感器的工作是变化极板的间距，而电容变化并电容式传感器的工作是变化极板的间距，而电容变化并不产生热量。不产生热量。v结构简单，适应性好。结构简单，适应性好。 电容式传感器的主要结构是两块金属极板和绝缘层，结电容式传感器的主要结构是两块金属极板和绝缘层，结构很简单

55、，在振动、辐射环境下仍能正常工作。构很简单，在振动、辐射环境下仍能正常工作。73主要缺点主要缺点v非线性大。非线性大。 对于极距变化型电容式传感器，从位移变为电容变化是非线性的，对于极距变化型电容式传感器，从位移变为电容变化是非线性的，利用测量电路电容转换为电压变化也是非线性的，采用差动式结构利用测量电路电容转换为电压变化也是非线性的，采用差动式结构非线性可以得到改善，但不能完全消除。除非采用专门的测量电路，非线性可以得到改善，但不能完全消除。除非采用专门的测量电路，如运算放大器等。如运算放大器等。v电缆分布电容影响大。电缆分布电容影响大。 传感器两极板间的电容很小，仅几十个传感器两极板间的电

56、容很小，仅几十个pF，小的甚至只有几个，小的甚至只有几个pF。而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容。如屏蔽线而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容。如屏蔽线的电容，最小的的电容，最小的1米也有几个米也有几个pF，最大的可达上百个，最大的可达上百个pF，这不仅使，这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低。传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低。解决方法：解决方法：1，利用集成电路，加前置放大器，使传感器的输出直，利用集成电路，加前置放大器，使传感器的输出直接变为直流电压信号，再经过传输导线传送，不受导线分布电容的接变为直流电压信号，再经过传输导线传送，不受导线

57、分布电容的影响。影响。2，采用双屏蔽传输线，可降低分布电容的影响。，采用双屏蔽传输线，可降低分布电容的影响。74第第4节节 动态压力测量动态压力测量电容式差压变送器电容式差压变送器 高压侧进高压侧进气口气口低压侧进低压侧进气口气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置75电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构 1高压侧进气口高压侧进气口 2低压侧进气口低压侧进气口 3过滤片过滤片 4空腔空腔 5柔性不锈钢波柔性不锈钢波 纹隔离膜片纹隔离膜片 6导压硅油导压硅油 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9弹性平膜片弹性平膜片 10 腔腔76第

58、第4节节 动态压力测量动态压力测量各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 77各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） （参考（参考丹东长丹东长隆隆 自控有限公自控有限公司司 资料）资料）78各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） 79利用电容差压变送器测量液体的液位利用电容差压变送器测量液体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：的压力与液位成正比： p = g h第第4节节 动态压力测量动态压力测量80第第4节节 动态压力测量动态压力测量电容差压变送器用于测量液体的液位电容差压变送器用于测量液体

59、的液位 投入式水位计投入式水位计81 5、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器 (1)工作原理工作原理: 压阻式压力传感器是基于某些材料压阻式压力传感器是基于某些材料的电阻值随压力的变化而变化的原理制成的。其的电阻值随压力的变化而变化的原理制成的。其中锰最适于制作压阻式压力传感器，它的阻值随中锰最适于制作压阻式压力传感器，它的阻值随压力变化呈线性关系。压力变化呈线性关系。 式中，式中，R是电阻的增量；是电阻的增量； K是锰的压阻系数，是锰的压阻系数，； 是锰电阻的阻值；是锰电阻的阻值； 是被测压力。是被测压力。 (2)结构：结构：由锰铜丝绕制的电阻、金属支架、由锰铜丝绕制的电阻、金属支架、绝缘密

60、封螺丝和传感器压力腔等组成。绝缘密封螺丝和传感器压力腔等组成。 (3)测量电路测量电路: 通常采用电桥电路通常采用电桥电路第第4节节 动态压力测量动态压力测量82第第4节节 动态压力测量动态压力测量6、霍尔压力变送器、霍尔压力变送器 （1）霍尔效应霍尔效应：把半导体单晶：把半导体单晶薄片置于磁场薄片置于磁场B中，如果在它中，如果在它的两个纵向面上通以一定大的两个纵向面上通以一定大小的电流，则在晶体的两个小的电流，则在晶体的两个横向端面之间出现电势横向端面之间出现电势UH，叫霍尔效应，产生的电势称叫霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。为霍尔电势。电流电流I称为称为控制控制电流电流；能产生霍尔效应的